DE3841269A1 - Brennstoffduese mit katalytischem glueheinsatz - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Gasturbinen-Brennkammern und insbesondere auf Brennstoffdüsen für Gasturbinen-Brennkammern, Zündeinrichtungen zum Zünden eines Brennstoff/Luft-Gemisches und auf katalytisches Material zur Verhinderung von NOx-Bil­ dung durch Unterstützung einer vollständigen Verbrennung bei gesenkten Flammentemperaturen.

Die Hersteller von Gasturbinen beschäftigen sich gegenwärtig mit Forschungs- und Entwicklungsprogrammen, um neue Gastur­ binen zu erzeugen, die mit einem hohen Wirkungsgrad arbeiten, ohne unerwünschte Luftverschmutzungsemissionen zu erzeugen. Die hauptsächlichen Luftverschmutzungsemissionen, die gewöhn­ lich durch Gasturbinen erzeugt werden, die herkömmliche Brenn­ stoffe verbrennen, sind Oxide von Stickstoff, Kohlenstoffmon­ oxid und unverbrannte Kohlenwasserstoffe. Es kann ein Verbren­ nungs-Katalysator in der Reaktionszone eines Gasturbinen-Ver­ brennungssystems verwendet werden, um die vollständige Ver­ brennung eines mageren Gemisches von Brennstoff und Luft zu unterstützen, um die Menge dieser Luftverschmutzungsemissionen auf ein Minimum zu senken. Verbrennungskatalysatoren, die mit der derzeitigen Technologie entwickelt und hergestellt werden, sind nicht in der Lage, bei Zünd- und Niederlastbedingungen einer Gasturbine zu arbeiten, die Erdgas oder die meisten üb­ lichen Turbinenbrennstoffe verwendet, aufgrund der relativ niedrigen Brennkammer-Einlaßtemperatur und des Temperaturan­ stieges, der bei diesen Betriebsbedingungen auftritt.

Ein Verfahren, um ein zufriedenstellendes katalytisches Ver­ brennungssystem für einen Gasturbinenbetrieb bei Zünd- und Niederlastbetrieb zu erhalten, besteht darin, den katalytischen Reaktor mit einem üblichen Diffusionsvorbrenner bei diesen Bedingungen zu unterstützen. Der Vorbrenner gestattet eine Zündung und Flammenstabilisierung vor dem Zusatz des Hauptbrennstoffes. Um die Luftverschmutzungsemissionen aus diesem Diffusions-Flammenvorbrenner zu minimieren, den kata­ lytischen Reaktor zu schützen und für eine be­ triebliche Flexibilität für das katalytische Verbrennungssy­ stem zu sorgen, muß der Diffusions-Flammenvorbrenner die Fähig­ keit haben, bei extrem niedrigen Brennstoffströmungs-Wärmeab­ gaberaten und sehr mageren Brennstoff/Luft-Gesamtmischungen zu zünden und/oder zu arbeiten. Es ist ein Ziel der Erfindung, den Arbeitsbereich eines großen industriellen Gasturbinen- Diffusions-Flammenverbrennungssystems auf extem magere Brenn­ stoff/Luft-Gesamtmischungen und Brennstoffströmungs/Wärmefrei­ gaberaten auszudehnen, die so niedrig sind, daß bei einer üb­ lichen Brennkammer ein Ausblasen auftreten würde. Weiterhin ist es Ziel der Erfindung, eine Zündung des Verbrennungssystems bei Zuständen der Brennstoffströmung und der gesamten Brenn­ stoff/Luft-Gemischfestigkeit zu erreichen, die zu niedrig/ mager sind, um eine Zündung mit einem üblichen großen indu­ striellen Gasturbinen-Verbrennungssystem und Funkenzünder zu erhalten.

Es ist übliche Praxis bei großen industriellen Gasturbinen- Verbrennungs-Systemen, eine Zündung unter Verwendung einer elektrischen Entladungs(funken)-Zündeinrichtung zu erhalten und die Diffusionsflamme aerodynamisch zu stabilisieren. Wenn die Zündung herbeigeführt ist, ist keine externe Energiequelle (d. h. keine andere Verbrennung des Hauptbrennstoffes) er­ forderlich. Es gibt alternative Zündmittel, wie beispiels­ weise Brennerzünder; es werden jedoch keine Glüheinsätze ver­ wendet, da einfachere Systeme für die übliche Verbrennung ausreichen.

Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Brennstoffdüsen- und Zündeinrichtung für eine Gasturbinen-Brennkammer zu schaffen, die Brennstoff bei kleiner Brennstoffströmung und sehr mageren Brennstoff/Luft-Gesamtmischungen zünden kann. Weiterhin soll der Arbeitsbereich einer Gasturbinenbrennkammer in Bezug auf ein potentielles Ausblasen ausgedehnt werden, indem ein Brenn­ stoffdüsen- und Zündsystem gemäß der Erfindung geschaffen wird. Ferner soll die Bildung von Stickoxiden (NOx) bei nie­ drigen Brennstoffströmungs/Wärmeabgabebedingungen und sehr mageren Brennstoff/Luft-Gesamtmischungen auf ein Minimum ge­ senkt werden.

Erfindungsgemäß wird eine Brennstoffdüsen- und Zündeinrichtung für eine Gasturbinenbrennkammer geschaffen. Die Brennstoffdüse weist einen Düsenkörper mit einer Brennstoffeinlaßverbindung auf. Eine Brennstoffspitzenanordnung ist am stromabwärtigen Ende des Brennstoffdüsenkörpers angeordnet, um Brennsstoff durch Zumeßöffnungen zu verteilen, die in der Brennstoff­ spitzenanordnung angeordnet sind. In dem Brennstoffdüsenkörper sind Zündmittel angeordnet, um den Brennstoff, der von der Brennstoffspitzenanordnung dispergiert wird, zu zünden. Die Zündeinrichtung weist eine Spule auf, die mit einem kataly­ tischen Material überzogen ist, um die Zündung/Verbrennung unter kleinen Brennstoff/Wärme-Freigabebedingungen zu unter­ stützen. Die Erfindung ist insbesondere auf Gasturbinen-Ver­ brennungssysteme anwendbar, die Vorbrenner für die Zündung und Verbrennung stromaufwärts von Verteilern des Hauptbrenn­ stoffes und einen katalytischen Reaktor verwenden.

Die Erfindung wird nun mit weiteren Merkmalen und Vorteilen anhand der Beschreibung und Zeichnung von Ausführungsbeispie­ len näher erläutert.

Fig. 1 ist ein modifizierter Querschnitt von einem Gasturbi­ nen-Verbrennungssystem, bei dem die Brennstoffdüse und die Zündeinrichtung gemäß der Erfindung mit Vor­ teil angewendet werden können.

Fig. 2 ist ein Querschnitt der Brennstoffdüse und der Zünd­ einrichtung gemäß der Erfindung.

Fig. 3 ist eine Ansicht von vorne auf die Zündeinrichtung.

Der in Fig. 1 gezeigte Gasturbinenmotor 11 enthält einen Kom­ pressor bzw. Verdichter, der durch die kleine Schaufel 13 dar­ gestellt ist, und mehrere Brennkammern 15 (von denen nur eine gezeigt ist), die in einem Ring angeordnet sind, um erhitzte Verbrennungsgase in eine Gasturbine abzugeben, die durch eine einzelne Schaufel 17 dargestellt ist. Jede Brennkammer ist mit der Turbine durch einen Übergangskanal 19 verbunden. In be­ kannter Weise liefert der Verdichter verdichtete Luft 21 an die Brennkammer 15, um für eine Kühlung und Luft zu sorgen, die für den Verbrennungsprozeß erforderlich ist. Der Brenn­ kammer wird Brennstoff durch eine stromaufwärtige Düse 25 zu­ geführt. Die Brennkammer, die in bezug auf die erfindungsge­ mäße Einrichtung gezeigt ist, enthält einen Verbrennungsab­ schnitt, der ferner einen Vorbrenner 27, einen Hauptbrenn­ stoffverteiler 29, einen katalytischen Reaktor 31 und eine Reaktionszone 35 enthält. Dies ist ein Beispiel einer fortge­ schrittenen Gasturbinenbrennkammer, wobei die Erfindung aber auch auf eine Brennkammer ohne einen Vorbrenner oder einen Hauptbrennstoffverteiler oder sogar ohne einen katalytischen Reaktor anwendbar ist. Der Vorbrenner ist teilweise von einem Strömungsmantel 39 umgeben, der Verdichterauslaßluft 21 um den Vorbrenner 27 herum und zur Brennstoffdüse 25 leitet. Ein bekannter Vorbrenner 27 würde auch einen Zünder (nicht gezeigt) enthalten, der stromabwärts von der Brennstoffdüse angeordnet und radial nach innen gerichtet sein würde durch ein Vorbrennergehäuse 41, das den Strömungsmantel 39 umgibt. Jeder Brenner würde auch eine Brennerummantelung 45 aufweisen, die zusammen mit dem Vorbrennergehäuse 41 ein luftdichtes Gehäuse um den Brenner herum bildet. Der bekannte Zünder war gewöhnlich eine Funken­ entladungsvorrichtung (Zündkerze), die eine Spitze aufwies, die durch ein nicht gezeigtes Loch in dem Vorbrenner in den Vorbrenner 27 hineinragt.

Die Arbeitsweise des Gasturbinenkraftwerkes ist bekannt. Der Verdichter 13 wird zunächst durch einen Motor angetrieben, bis der Luftdruck ausreicht, um die Verbrennung in dem Vor­ brenner zu unterhalten. Bei einem geeigneten Luftdruck wird der Verdichterluft Brennstoff zugesetzt, die durch eine Düse und Verbrennungsluftöffnungen 49 in dem Vorbrenner in den Brenner eingegeben werden. Brennstoff wird durch die Brennstoff­ düse 25 zugesetzt, wogegen eine Zündung des Brennstoff/Luftge­ misches durch den vorgenannten Zünder (nicht gezeigt) herbei­ geführt wird, der stromabwärts von der Brennstoffdüse ange­ ordnet ist. Dadurch wird eine Flamme in dem Vorbrenner ausge­ bildet, woraufhin dem Hauptbrennstoffverteiler 29 Brennstoff zugeführt wird. Die verbrennende Brennstoff/Luftmasse wird durch den katalytischen Reaktor 31 geleitet, und die Verbren­ nung wird in der Reaktionszone 35 vervollständigt. Die Ver­ brennungsprodukte werden durch den Übergangskanal 19 zur Tur­ bine 17 geleitet. Die Turbine liefert dann Drehenergie, um eine Last und den Verdichter anzutreiben, der von dem Starter­ motor abgekuppelt worden ist.

Der vorstehend beschriebene Betrieb wird begrenzt durch er­ forderliche Brennstoffströmungen und Betriebstemperaturen, die zum Einleiten der Verbrennung, Unterhaltung der Verbren­ nung und zur Optimierung des Betriebs des katalytischen Reak­ tors erforderlich sind. Beispielsweise kann während des An­ laufens der Betrieb des katalytischen Reaktors eingeschränkt sein, bis eine bestimmte Betriebstemperatur erreicht worden ist. Bei gewissen niedrigen Brennstoffströmungen kann die Verbrennungsflamme ausgeblasen werden. Weiterhin kann während des Betriebs des katalytischen Reaktors die Vorbrennerflamme absichtlich gelöscht werden, um die Bildung von Stickoxiden auf ein Minimum zu senken. Die erneute Zündung der Flamme unter Verwendung eines bekannten Zündsystems könnte eine Explosion bewirken, die den katalytischen Reaktor schwer be­ schädigen könnte. Deshalb soll die Erfindung diese Schwierig­ keiten überwinden und den effizienten Arbeitsbereich der Gas­ turbine ausdehnen.

In Fig. 2 ist die Brennstoffdüse 25 beispielsweise eine Brenn­ stoffdüse, die Erdgas als einen Brennstoff verwendet. Die Brennstoffdüse 25, wie sie in Fig. 1 gezeigt ist, ist in dem stromaufwärtigen Ende des Vorbrenners 27 angebracht und strom­ abwärts in den Vorbrenner gerichtet. Die Brennstoffdüse arbei­ tet mit jedem geeigneten Gasturbinenbrennstoff, der beispiels­ weise Erdgas sein kann.

Die Brennstoffdüse weist einen im allgemeinen ringförmigen Brennstoffdüsenkörper 55 auf, der eine axiale Mittellinie 67 besitzt. Eine Brennstoffeinlaßverbindung 57 bildet eine Lei­ tung, um Brennstoff in den Brennstoffdüsenkörper einzulassen. Eine Brennstoffspitzenanordnung (Kopf) 59 ist an dem stromabwärtigen Ende des Brennstoffdüsenkörpers angeordnet und hat eine axia­ le Mittellinie, die mit der axialen Mittellinie 67 des Brenn­ stoffdüsenkörpers im wesentlichen zusammenfällt. Ein Verwirb­ ler 61 ist um das stromabwärtige Ende der Brennstoffspitzen­ anordnung herum angeordnet und weist mehrere Schlitze auf, um der Verdichterluft 21 unmittelbar vor dem Eintritt in den Vor­ brenner eine Umfangsrichtung zu erteilen. Brennstoff 62 tritt in den Verwirbler durch mehrere Zumeßöffnungen 63 ein, die das Innere des Brennstoffdüsenkörpers mit den Verwirbler­ schlitzen 61 verbinden. Auf diese Weise werden Brennstoff und Luft in den Vorbrenner 27 eingegeben.

Ein katalytischer Glüheinsatz 65 enthält eine Elektrode 71, die im wesentlichen koinzident mit der Mittelachse des Brenn­ stoffdüsenkörpers angebracht ist und sich nach vorne durch den Düsenkörper hindurch in die Brennstoffspitzenanordnung 59 er­ streckt. Die Elektrode ist mit einer Heizspule oder einem Zün­ der 75 verbunden. Der Zünder ist in einem Gehäuse 79 angeord­ net, das den Zünder und die Elektrode innerhalb des Brenn­ stoffdüsenkörpers und der Brennstoffspitzenanordnung haltert. Die Elektrode ist von einer elektrischen Isolation 81 umgeben, die das Gehäuse 79 von der Elektrode isoliert. Ferner sind Mittel zum Speisen des Zünders 75 in der Form eines einstell­ baren Potentiometers 83 vorgesehen, das die Elektrode mit einer Spannungsquelle und einer Erd- bzw. Masseverbindung 85 verbindet, die schematisch in der Weise dargestellt ist, daß sie mit dem Gehäuse 79 und dem Zünder 75 verbunden ist. Fig. 3 ist eine Seitenansicht der Spule 75, der Elektrode 71 und des Gehäuses 79.

Gemäß der Erfindung könnte die Spule oder der Zünder 75 aus einem Hochtemperatur-Widerstandsmaterial, wie beispielsweise Kanthal, enthält ca. 23% Cr, 5% Al, 0,5-2% Co, Rest Fe, hergestellt sein. Ferner sind die Oberflächen der Spule mit einem Brennstoffgas-Zündkatalysator überzogen, wie beispielsweise Palladium.

Die Arbeitsweise der erfindungsgemäßen Einrichtung ist wie folgt. Die Heizspule oder der Zünder 75 ist mit der Mittel­ elektrode 71 an dem vorderen oder stromabwärtigen Ende des Brennstoffdüsenkörpers verbunden. Wenn die Elektrode mit einer elektrischen Versorgungsquelle 83 in Verbindung steht, fließt ein elektrischer Strom durch den Zünder oder die Spule 75, die aufgrund ihres elektrischen Widerstandes erhitzt wird. Der Stromfluß kann verändert werden, indem die an die Spule angelegte Spannung verändert wird, damit die Temperatur des Brennstoffgas-Zündkatalysators an der Oberfläche der Spule über die Temperatur hinaus ansteigt, die eine Selbstzündung des Brennstoffgas/Luftgemisches in der rezirkulierenden Strö­ mungszone bewirkt, die unmittelbar stromabwärts von dem Ver­ wirbler 61 hervorgerufen wird. Die Wirkungen der Energiezu­ fuhr aus der elektrischen Versorgungsquelle und der Senkung der zum Einleiten der Verbrennung erforderlichen Aktivierungs­ energie aufgrund des Brennstoffgas-Zündkatalysators vereini­ gen sich, damit eine Verbrennung eingeleitet und in dem Brenner bei einem Brennstoff/Luft-Gemisch unterhalten werden kann, das zu mager ist für eine Verbrennung ohne den katalytischen Glüheinsatz gemäß der Erfindung.

Claims (11)

1. Brennstoffzufuhrdüse, gekennzeichnet durch
einen Brennstoffdüsenkörper (55) mit wenigstens einer Brennstoffeinlaßverbindung (57),
eine Brennstoffspitzenanordnung (59) am Auslaßende des Brennstoffdüsenkörpers,
ein Gehäuse (79) innerhalb des Brennstoffdüsenkörpers und der Brennstoffspitzenanordnung,
eine Zündeinrichtung (65), die innerhalb des Gehäuses und am Auslaßende des Brennstoffdüsenkörpers angeord­ net ist, und
Mittel (85) zum Speisen der Zündeinrichtung.

2. Brennstoffzufuhrdüse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel zum Zünden des Brennstoffes innerhalb eines Gasturbinenbrenners vorgesehen sind, wobei der aus der Düse austretende Brennstoff entzündet wird.

3. Brennstoffzufuhrdüse nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennstoffdüsenkörper (55) ein im wesentlichen ringförmiges Gehäuse ist und das Gehäuse (79) innerhalb des Brennstoffdüsenkörpers und der Brennstoffspitzen­ anordnung im wesentlichen ringförmig um die Mittel­ achse des Brennstoffdüsenkörpers herum angeordnet ist, wobei die Zündeinrichtung eine Spule ist, die am Aus­ laßende des Brennstoffdüsenkörpers angeordnet ist.

4. Brennstoffzufuhrdüse nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Speisen der Spule eine Elektrode (71) aufweisen, die mit der elektrischen Spannungs­ quelle und der Spule verbindbar ist.

5. Brennstoffzufuhrdüse nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein elektrischer Isolator (51) um die Elektrode herum zwischen der Elektrode (71) und dem Gehäuse (79) angeordnet ist.

6. Brennstoffzufuhrdüse nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zündeinrichtung mit einem katalytischen Mate­ rial überzogen ist.

7. Brennstoffzufuhrdüse nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennstoff gasförmig ist und eine Verwirbler­ kappe, die mehrere Wirbelschaufeln aufweist, um die Brennstoffspitzenanordnung herum angeordnet ist, wo­ bei die Brennstoffspitzenanordnung Brennstoffauslaß­ löcher hat zum Ausstoßen von Brennstoff aus dem Innen­ raum der Brennstoffspitzenanordnung auf die Verwirbler­ schaufeln.

8. Brennstoffzufuhrdüse nach einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, daß die Zündeinrichtung mit einem katalytischen Mate­ rial überzogen ist, wobei aus der Düse ausgestoßener Brennstoff entzündbar und in Gegenwart des Katalysa­ tors verbrennbar ist.

9. Brennstoffzufuhrdüse nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Spule aus einem elektrischen Hochtemperatur- Widerstandsmaterial hergestellt ist und das Katalysa­ tormaterial Palladium ist.

10. Gasturbinenbrenner mit einem Brennergehäuse, das einen Strömungsmantel mit einer darauf angeordneten Brennerauskleidung umgibt, einer Brennstoffdüse, die am stromaufwärtigen Ende der Brennerauskleidung ange­ ordnet ist, und einem katalytischen Reaktor, der am stromabwärtigen Ende der Brennerauskleidung angeord­ net ist, dadurch gekennzeichnet, daß ein Zünder innerhalb der Brennstoffdüse angeordnet ist zum Zünden von Brennstoff, der aus der Brennstoff­ düse ausgestoßen wird.

11. Gasturbinenbrenner nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Zünder mit einem katalytischen Material über­ zogen ist.